交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術研究機械技術

1、.交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術研究1 前 言 目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動機(包括380V/660V低壓電動機和3KV/6KV中壓電動機),有相當多的異步電動機及其拖動系統(tǒng)還處于非經濟運行的狀態(tài),白白地浪費掉大量的電能究其原因,大致是由以下幾種情況造成的: 由于大部分電機采用直接起動方式,除了造成對電網及拖動系統(tǒng)的沖擊和事故之外,810倍的起動電流造成巨大的能量損耗 在進行電動機容量選配時,往往片面追求大的安全余量,且層層加碼,結果使電動機容量過大,造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象,導致電動機偏離最佳工況點,運行效率和功率因數降低 從電動機拖動的生產機械自身的運行經濟性考慮,往往要

2、求電力拖動系統(tǒng)具有變壓變速調節(jié)能力,若用定速定壓拖動,勢必造成大量的額外電能損失 電動機的非經濟運行情況,早已引起國家有關部門的重視,并分別于1990年和1995年制定和修定了一個強制性的國家標準:三相異步電動機經濟運行(GB12497-1995)希望依此來規(guī)范三相異步電動機的經濟運行,國標的發(fā)布對低壓電動機的經濟運行起了很大的促進作用,但對中壓電動機則收效甚微其原因是: (1)中壓電動機一般容量較大,一旦發(fā)生故障,其影響也大,因此對節(jié)電措施的可靠性的要求就更高; (2)中壓電動機節(jié)電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制,節(jié)電產品的開發(fā)在技術上難度更大一些 到目前為上,國內尚無成型的中壓電動機

3、軟起動和節(jié)電運行的產品面市2 異步電動機的軟起動 由于工業(yè)生產機械的不斷更新和發(fā)展,對電動機的起動性能提出了越來越高的要求,歸納起來有以下幾個方面: 要求電動機有足夠大的,并且能平穩(wěn)提升的起動轉矩和符合要求的機械特性曲線; 盡可能小的起動電流; 起動設備盡可能簡單經濟可靠,起動操作方便; 起動過程中的功率消耗應盡可能的少根據以上相互矛盾的要求和電網的實際情況,通常采用的起動方式有兩種:一種是在額定電壓下的直接起動方式,另一種是降壓起動方式 2.1 直接起動的危害 直接起動是最簡單的起動方式,起動時通過閘刀或接觸器將電動機直接接到電網上直接起動的優(yōu)點是起動設備簡單,起動速度快但是直接起動的危害很

4、大; 電網沖擊:過大的起動電流(空載起動電流可達額定電流的47倍,帶載起動時可達810倍或更大),會造成電網電壓下降,影響其他用電設備的正常運行,還可能使欠壓保護動作,造成設備的有害跳閘同時過大的起動電流會使電機繞組發(fā)熱,從而加速絕緣老化,影響電機壽命 機械沖擊:過大的沖擊轉矩往往造成電動機轉子籠條端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損,導致?lián)舸龣C;轉軸扭曲,聯(lián)軸節(jié)傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等 對生產機械造成沖擊:起動過程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道閥門的損傷,縮短使用壽命;影響傳動精度,甚至影響正常的過程控制所有這些都給設備的安全可靠運行帶來威脅,同時也造成過大的起動能量損耗,尤其當頻繁起停時更是如

5、此因此對電動機直接起動有以下限制條件: 生產機械是否允許拖動電動機直接起動,這是先決條件; 電動機的容量應不大于供電變壓器容量的1015%; 起動過程中的電壓降U應不大于額定電壓的15%對于中大功率的電動機一般都不允許直接起動,而要求采用一定的起動設備,方可完成正常的起動工作2.2 老式降壓起動方式的適用場合及性能比較: 降壓起動的目的是減小起動電流,但它同時也使起動轉矩下降了對于重載起動,帶有大的峰值負載的生產機械,就不能用這種方式起動傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法: (1)星形/三角形轉換器:這種方法適用于正常運行時定子繞組采用接法的電動機定子有六個接頭引出,接到轉換開關上,起動時采用星形接

6、法,起動完畢后再切換成接法起動電壓為220V,運行電壓為380V這種起動設備的優(yōu)點是起動設備簡單,起動過程中消耗能量少缺點是有二次電流沖擊,設備故障率高,需要經常維護,所以不宜使用在頻繁起動的設備上在轉換過程中,由于瞬變電勢和電動機剩磁產生的電勢往往與電源電壓有相位差,嚴重時會產生電壓相加,引起過大的沖擊電流和電磁轉矩,因此大大地限制了它的使 用由于起動電壓為運行電壓的 ,故其起動轉矩為額定轉矩的1/3,只能用在空載或輕載(負載率小于1/3)起動的設備在電動機輕載或空載運行時,也可利用該起動設備作降壓運行,以提高電動機的功率因數和效率 (2)自耦變壓器降壓起動:三相自耦變壓器(也稱補償器)高壓

7、邊接電網,低壓邊接電動機,一般有幾個分接頭,可選擇不同的電壓比,相對于不同起動轉矩的負載在電動機起動后再將其切除其優(yōu)點是起動電壓可以選擇,如0.650.8或0.9UN,以適應不同負載的要求缺點是體積大,重量重,且要消耗較多有色金屬,故障率高,維修費用高 (3) 磁控軟起動器:磁控軟起動器是利用控磁限幅調壓的原理,在電動機起動過程中電壓可由一個較低的值平滑地上升到全壓,使電動機軸上的轉矩勻速增加,起動特性變軟,并可實現(xiàn)軟停車但其起控電壓在200V左右,用戶不可調整,會有較大的電流沖擊,且體積較大 (4) 對于高壓電機,可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實現(xiàn)降壓起動,待起動完成后再將其切除但電抗器成

8、本高,水電阻損耗又大 (5) 對于繞線式異步電動機,可在轉子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實現(xiàn)起動,待起動完成后再將其切除但頻敏變阻器成本高,而水電阻損耗又大其他還有延邊三角形起動,定子串電阻起動等方法 值得指出的是:盡管各種老式降壓起動方法各有其優(yōu)缺點,但它們有一個共同的優(yōu)點:就是沒有諧波污染 2.3 新型的電子式軟起動器 隨著電力電子技術和微機控制技術的發(fā)展,國內外相繼開發(fā)出一系列電子式起動控制設備,用于異步電動機的起動控制,以取代傳統(tǒng)的降壓起動設備新型的電子式軟起動器的主回路一般都采用晶閘管調壓電路,調壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成,串接于電動機的三相供電線路上當起動器的微機控制系統(tǒng)接到

9、起動指令后,便進行有關的計算,輸出晶閘管的觸發(fā)信號,通過控制晶閘管的異通角,使起動器按所設計的模式調節(jié)輸出電壓,以控制電動機的起動過程當起動過程完成后,一般起動器將旁路接觸器吸合,短路掉所有的晶閘管,使電動機直接投入電網運行,以避免不必要的電能損耗 所謂“軟起動”,實際上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓起動過程目前的軟起動器一般有以下幾種起動方式: (1) 限流軟起動:限流起動顧名思義就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設定值(Im)的軟起動方式主要用在輕載起動的負載的降壓起動,其輸出電壓從零開始迅速增長,直到其輸出電流達到預先設定的電流限值Im,然后在保持輸出電流I 這種起動

10、方式的優(yōu)點是起動電流小,且可按需要調整,(起動電流的限值Im必須根據電動機的起動轉矩來設定,Im設置過小,將會使起動失敗或燒毀電機)對電網電壓影響小其缺點是在起動時難以知道起動壓降,不能充分利用壓降空間,損失起動轉矩,起 動時間相對較長 (2) 電壓鈄坡起動:輸出電壓由小到大鈄坡線性上升,將傳統(tǒng)的降壓起動變有級為無級,主要用在重載起動它的缺點是起動轉矩小,且轉矩特性呈拋物線型上升對起動不利,且起動時間長,對電機不利改進的方法是采用雙鈄坡起動:輸出電壓先迅速升至U1,U1為電動機起動所需的最小轉矩所對應的電壓值,然后按設定的速率逐漸升壓,直至達到額定電壓初始電壓及電壓上升率可根據負載特性調整這種

11、起動方式的特點是起動電流相對較大,但起動時間相對較短,適用于重載起動的電機 (3) 轉矩控制起動:主要用在重載起動,它是按電動機的起動轉矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓,它的優(yōu)點是起動平滑柔性好,對拖動系統(tǒng)有利,同時減少對電網的沖擊,是最優(yōu)的重載起動方式它的缺點是起動時間較長 (4) 轉矩加突跳控制起動與轉矩控制起動一樣也是用在重載起動的場合所不同的是在起動的瞬間用突跳轉矩,克服拖動系統(tǒng)的靜轉矩,然后轉矩平滑上升,可縮短起動時間但是,突跳會給電網發(fā)送尖脈沖,干擾其它負荷,使用時應特別注意 (5) 電壓控制起動是用在輕載起動的場合,在保證起動壓降的前提下使電動機獲得最大的起動轉矩,盡可能地 縮短起動

12、時間,是最優(yōu)的輕載軟起動方式 停車方式有三種:一是自由停車,二是軟停車,三是制動停車軟起動器帶來的最大好處是軟停車和制動 停車,軟停車消除了拖動系統(tǒng)的反慣性沖擊,對于水泵 就是“水錘”效應;制動停車則在一定場合代替了反接 制動停車功能 2.4 軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的比較軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的性能2.5 軟起動器的適用場合 (1) 生產設備精密,不允許起動沖擊,否則會造成生產設備和產品不良后果的場合; (2) 電動機功率較大,若直接起動,要求主變壓器容量加大的場合; (3) 對電網電壓波動要求嚴格,對壓降要求10% UN的供電系統(tǒng); (4) 對起動轉矩要求不高,可進行空載或輕載起動的設備

13、 嚴格地講,起動轉矩應當小于額定轉矩50%的拖動系統(tǒng),才適合使用軟起動器解決起動沖擊問題對于需重載或滿載起動的設備,若采用軟起動器起動,不但達不到減小起動電流的目的,反而會要求增加軟起動器晶閘管的容量,增加成本;若操作不當,還有可能燒毀晶閘管此時只能采用變頻軟起動因為軟起動器調壓不調頻,轉差功率始終存在,難免過大的起動電流;而變頻器采用調頻調壓方式,可實現(xiàn)無過流軟起動,且可提供1.22倍額定轉矩的起動轉矩,特別適用于重載起動的設備但是變頻器的價格就要比軟起動器的價格高得多了3 異步電動機經濟運行和優(yōu)化節(jié)電控制技術3.1 異步電動機降壓節(jié)電技術概述 對于滿載或重載運行的電動機,降低其端電壓將會造

14、成嚴重后果,隨著端電壓的降低,電動機的磁通和電動勢隨之減小,鐵耗無疑將下降但與此同時,隨電壓平方變化的電動機轉矩也迅速下降而小于負載轉矩,電動機只能依靠增大轉差率,提高電磁轉矩以達到與負載轉矩相平衡的狀態(tài)轉差率的增大,引起轉子電流增大,同時引起定子和轉子電壓間的相角增大,導致定子電流增大,從而使定子和轉子銅耗增加值大大超過鐵耗的下降值,這時電動機繞組溫升將會增高,效率將會下降,甚至發(fā)生電動機燒毀事故因而,一般規(guī)程都規(guī)定了電動機正常運行時電壓變化范圍不得超過額定電壓的95%110% 然而對于輕載運行的電動機,情況就截然不同,使供電電壓適當降低,在經濟上是有利的這是因為在輕載運行時,電動機的實際轉

15、差率大大小于額定值,轉子電流并不大,在降壓運行時,轉子電流增加的數值有限而另一方面,卻由于電壓的降低,使空載電流和鐵損大幅減少在這種情況下,電動機的總損耗就可降低,定子溫升,運行效率和功率因數同時得到改善由此可見,電動機的運行經濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關系極大理論分析表明電動機的力能指標(運行效率與功率因數)與其端電壓之間存在如下的數量關系2:(1)(2) SN和S電動機額定工況和降壓運行的轉差率;和 電動機額定工況和降壓運行的功率因數; N和電動機額定工況和降壓運行的效率; KU電動機的調壓系數,KU=U/UN; UN和U電動機額定電壓和降壓運行時的實際電壓; K1電動機的空

16、載電流系數,K1=Io/IN; IN和Io一電動機的額定電流和空載電流 從式(2)不難看出:并不是所有的降壓行為都能達到節(jié)電的目的,只有當電壓降低程度大于轉差率及功率因數上升程度時,才能使運行效率提高實際上,電動機效率隨電壓降低而變化的關系呈馬鞍形曲線,對應于每一個輸出功率(或負載系數),必然存在一個最佳調壓系數Kum,當Ku=Kum時,電動機的損耗最低,效率最高Kum稱為電動機的最佳電壓調節(jié)系數不同負載下最佳電壓調節(jié)系數Kum可按電動機的負載系數由下式確定1:(3) 式中: 電動機額定負載時的有功損耗(kW);Po電動機的空載損耗(kW); K計算系數,K=(Po-Pfw)/PN; Pfw電

17、動機的機械損耗(kW); 電動機的負載系數,=P2/PN·100% P2電動機的輸出功率; PN電動機的額定功率 文獻1給出了輕載電動機采用降壓節(jié)電措施后,節(jié)約電能的計算公式為:節(jié)約的有功功率 (4) 節(jié)約的無功功率:(5) 節(jié)約的電能:(6) 式中:QN電動機帶額定負載時的無功功率(Kvar);Qo電動機的空載無功功率(Kvar); KQ無功經濟當量,當電動機直連電機母線KQ=0.020.04,二次變壓取KQ=0.050.07,三次變壓取KQ=0.080.10; Tec電動機年運行時間(h)3.2 優(yōu)化節(jié)電的控制依據 (1) 功率因數( )控制法: 最早出現(xiàn)的異步電機優(yōu)化節(jié)電器為L

18、a 功率因數控制器,其原理是通過檢測電動機運行中的 值,與預先設定的基準值比較,當實際值低于設定值時,說明電動機為輕載,通過降低電動機的端電壓來提高 ,直到實際的 測量值達到設定值為止,實現(xiàn)了節(jié)電; 數值高表明是重載,則升高電機端電壓,以保證軸上的輸出功率這是一種間接節(jié)電法:控制對象是電動機的功率因數,而目的是節(jié)電由于交流異步電機的最佳功率因數在全工作范圍內呈曲線變化;不同制造廠生產的同一規(guī)格的異步電機的功率因數呈一定的離散性;同一臺電機在其新舊壽命期,在同一工況下的功率因數也呈現(xiàn)一定的離散性,這就給設計和調整帶來一定的困難故這種方法是不能達到最佳節(jié)電效果的,并且理論與實踐都已證明,過高的功率

19、因數值對于異步電機來說,并不節(jié)電(2)最小輸入功率法: 交流異步電機工作時,從電網輸入的電功率P1,一部分轉換成電機軸上的機械功率P2輸出,另一部分則是自身的損耗PS,包括鐵耗與銅耗兩部分共中鐵耗與輸入電壓的平方成正比,而銅耗則與其電流的平方成正比,只有在銅耗等于鐵耗時,電機的效率最高,損耗PS最小最小輸入功率法的原理就是在電機工作的任一負載點上,在保證軸上機械功率輸出的前提下,通過降低電機的端電壓而減小電機自身的損耗,從而達到節(jié)能的目的雖然降壓可以降低鐵耗,而當電壓降到一定程度之后,若繼續(xù)下降,則電流又要增加,因而又增加了銅耗通過微機自動尋優(yōu),讓鐵耗和銅耗都維持在最低的水平,也即電壓與電流的

20、乘積輸入的電功率達到最小值,實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)電目的(3)突加負載控制 當電動機軸上的負載急劇上升時,又要能在極短的時間內(<100ms)將電壓提升到額定值,保證軸上有足夠的功率輸出,否則電機就會發(fā)生堵轉現(xiàn)象所以微處理器在進行輸入功率優(yōu)化控制的同時,又監(jiān)視負載功率的變化率,一旦負載功率的變化率超過預先設定的閾值時,即判定為突加負載,立即提升電機端電壓,保證電機對負載變化的快速響應能力 3.3 優(yōu)化節(jié)電的適用對象 對于電機轉速無嚴格要求,及不需要調速運行的場合,特別是對于經常大幅度變動的負載,或者長時間處于輕載或空載的電動機,例如軋鋼機鍛壓機抽油機等負載,使用優(yōu)化節(jié)電技術,可以收到明顯的節(jié)電效果其

21、節(jié)電量視電動機的負載系數及輕載運行的時間長短而定 3.4 降壓起動優(yōu)化節(jié)電計算實例 為一臺輕載運行的Y160010/1730型6000V電動機配置一套優(yōu)化控制系統(tǒng),著重計算其起動性能參數和節(jié)電效果 Y160010/1730型電動機的原始數據:額定功率PN=1600kW,額定電壓UN=6.0kV,額定電流IN=185A,額定轉速nN=595r/min;最大轉矩倍數=最大轉矩/額定轉矩=2.22,起動電流倍數=堵轉電流/額定電流=5.53,起動轉矩倍數=堵轉轉矩/額定轉矩=0.824,額定效率N=94.49%,額定功率因數 電動機額定負載時的有功損耗PN=93.3kW,電動機的空載損耗Po=29.

22、6kW,電動機的空載電流Io=46.25A,電動機帶額定負載時的無功功率QN=918Kvar,電動機的空載無功功率Qo=480.6Kvar(1) 輕載運行降壓節(jié)電效果計算 (1)不同負載系數下,電動機的最佳調壓系數Kum的計算按式(3)進行,計算結果示于表2 (2)當U=UN時,不同負載系數下,電動機的綜合功率損耗Pc的計算按(7)式進行1 ,計算結果示于表2(7) (3)按最佳電壓調節(jié)系數進行調壓后節(jié)省的電量計算按式(4)式(5)和式(6)進行,計算結果示于表2表2 按最佳調壓系數進行降壓后節(jié)省的電量計算值電動機負載系數B0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 最佳電壓調節(jié)系數Kum

23、0.374 0.53 0.647 0.747 0.836 0.916 節(jié)省的有功功率P(KW)24.217.0 11.0 6.4 3.0 0.86 節(jié)省的無功功率Q(Kvar)386.5300.8 224.8 157.0 97.6 47.2 節(jié)省的綜合有功功率P+KqQ(Kvar)47.435.05 24.5 15.8 8.86 3.7 U=UN時電機綜合功率損耗PC(KW)59.3462.04 66.53 72.83 80.93 90.82 節(jié)電率(%)79%56.4% 36.8% 21.7% 11% 4% (2) 降壓起動時電動機起動特性估算 由電動機的原始數據得知,電動機直接起動時,起動

24、參數如下:起動電流IK=5.53IN,起動轉矩Mk=0.824MN 采用降壓起動時,調壓系數Ku的確定: (8) 式中:Un電動機電壓,V; UN電動機額定電壓,UN=6.0KV MN生產機械要求的最小起動轉矩,當采用輕載起動方式時,MN0.2MN 代入有關數據,得 采用降壓起動時,起動參數計算 起動電流In=KU·IK=2.72IN 起動電壓Un=KU·UN=0.493UN=2960V 起動轉矩 降壓起動的節(jié)電效果計算 直接起動時從電網吸收的無功功率計算1(9) 代入相關數據,得 降壓起動時從電網吸收的無功功率計算1(10) 代入相關數據,得 節(jié)約的無功功率 &n

25、bs 電網傳輸Q所消耗的有功功率 Pn=KQ·Qn=0.06×8052.1=483.1kW 降壓起動的無功節(jié)電率 4 異步電動機的調壓調速 異步電動機的調壓調速屬低效調速方式,因為在調速過程中始終存在轉差損耗,因此調壓調速有很大的限制,不是任何一臺普通的籠型電機加上一套晶閘管調壓裝置,就可以實現(xiàn)調壓調速的 首先必須改變電動機的外特性,新的外特性必須使電動機有一個寬廣的穩(wěn)定的調速范圍一般要采用高轉差率電機,交流力矩電機或在繞線式電機的轉子繞組中串接電阻的方法,并且要加上轉速閉環(huán)控制,才能進行穩(wěn)定的調速 其次是要將調速過程中由于轉差功率引起的轉子的溫升很好地導出機外,才能實現(xiàn)長期穩(wěn)定工作這里可采取旋轉熱管結構,也可采取特殊風道冷卻結構,都是行之有效的方法 在電力電子技術高度發(fā)展的今天,變頻調速裝置的價格已不再昂貴的情況下,再考慮調壓調速,似乎已無多大的現(xiàn)實意義了5 智能馬達優(yōu)化控制器(IMOC系列) 在對交流異步電動機的軟起動和優(yōu)化節(jié)電技術的長期深入研究的基礎上,研制成功了智能馬達優(yōu)化控制器(IMOC系列),適配電機功率從5.5KW-